微流控芯片微通道的數(shù)值模擬與分析

王一品，廖紅艷，常 備，劉澤宇，鄧亮明，陳稀波

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

在當(dāng)今社會(huì)中，科學(xué)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越趨向于微型化和小型化，使得微流控芯片的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。微流控芯片將現(xiàn)有的反應(yīng)都集中在微流控芯片上，包括一些化學(xué)生物等反應(yīng)，使得各種反應(yīng)都可以在微流控芯片上得以發(fā)生反應(yīng)。微流控芯片已經(jīng)成為很多學(xué)科交叉在一起的領(lǐng)域，需要進(jìn)一步去探索研究[1]。

現(xiàn)在用于醫(yī)學(xué)上的生物化學(xué)檢測(cè)的裝置大多都是采用離心的方式把檢測(cè)液體注入儲(chǔ)液池后，采用離心力作用使待測(cè)液體流入裝有待測(cè)液體的反應(yīng)池與其發(fā)生反應(yīng)[2]。本文使用的方法是在沒有離心力的作用下，使檢測(cè)液體自發(fā)地流向待檢測(cè)液體，使其反應(yīng)自發(fā)地進(jìn)行。達(dá)到這樣的效果就要選用合適的載體，構(gòu)造合適的微通道才能使檢測(cè)液體順利地流向待檢測(cè)液體。目前國(guó)外的一些專家和學(xué)者在很早的時(shí)候就開始對(duì)微流控芯片上的親水涂層進(jìn)行研究分析，雖然中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究人員對(duì)這方面的研究有些晚，但還是取得了一些不同的成果[3]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員所需要的親水性改性方法選擇合適的方法[4]。本文根據(jù)管道內(nèi)的一些流量計(jì)算，計(jì)算出最適合反應(yīng)的微通道。通過(guò)對(duì)微通道內(nèi)的管道截面尺寸的尺寸計(jì)算，可以得到微通道的尺寸對(duì)流量的影響；通過(guò)對(duì)微通道內(nèi)的數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)中存在差別的地方。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)微通道中液滴的數(shù)值模擬以及液滴在不同表面上的遷移等在不同深度、不同寬度和不同濃度溶液的微通道中，反應(yīng)也各不相同。

1 微流控芯片模擬

在本文中，可以使用理論計(jì)算和分析方法輕松獲得結(jié)果，通過(guò)這些結(jié)果的數(shù)值分析能夠總結(jié)出一些特征。但是，計(jì)算和分析的理論方法很難找到解決復(fù)雜問(wèn)題（特別是對(duì)于非線性問(wèn)題）的特定解決方案，并且通常只能找到近似解。但是，數(shù)值建模方法可以在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究之間找到平衡，從而相互補(bǔ)充，彌補(bǔ)各自的劣勢(shì)。例如，實(shí)驗(yàn)測(cè)量具有成本限制，并且微通道小且難以測(cè)量。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)微通道的一些微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是必要的，因?yàn)閺闹锌梢园l(fā)現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)中所觀察不到的現(xiàn)象。所需的流場(chǎng)可以通過(guò)求解數(shù)學(xué)模型獲得。為了獲得理論結(jié)果，這是將復(fù)雜性和當(dāng)前工程問(wèn)題降低為相等的物理和數(shù)學(xué)形式的重要建模步驟[5]。

2 微流控芯片模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

本文使用Fluent 模擬計(jì)算，因?yàn)槲⒘骺匦酒⑼ǖ纼?nèi)含有涂層，為了便于計(jì)算，對(duì)微流控芯片進(jìn)行簡(jiǎn)化，需要從下面幾個(gè)步驟進(jìn)行。

（1）利用Solid Works 建立模型通道三維模型，所以可以對(duì)微流控芯片進(jìn)行劃分網(wǎng)格。但是由于通道還是很大，流量也很大，為了減少運(yùn)算量，通過(guò)Fluent 自建模，采用直接改變接觸面的接觸角，并且設(shè)置待檢測(cè)液體為水。

（2）設(shè)置流體區(qū)域的網(wǎng)格類型為六面體。

（3）使用瞬態(tài)分析和多相流模型來(lái)模擬微流體的動(dòng)力學(xué)特性。

（4）設(shè)置微流控芯片內(nèi)檢測(cè)的液體為水，設(shè)置其表面張力為73.5 dyn/cm，水的入口速度設(shè)定為8 mm/s，總時(shí)間步長(zhǎng)為800 000，最大迭代次數(shù)為20。

2.2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置取決于濕刻的性質(zhì)，通過(guò)數(shù)字仿真將有助于簡(jiǎn)化微通道的橫截面形狀。微通道分析區(qū)域被結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分隔開，并且對(duì)壁網(wǎng)格進(jìn)行編碼，以更好地管理邊界層中的通量并使解決方案更加準(zhǔn)確[6]。

建立模型數(shù)據(jù)，如圖1 所示。圖1（a）為微流控芯片模型的1/8，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分；圖1（b）為面網(wǎng)格劃分。然后檢查網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)檢查體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、區(qū)域范圍和連通性等信息。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)如果體積為負(fù)數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行下去，而且其最小體積若為負(fù)數(shù)，則需要重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分。這樣做可以減少解域的非離散。通過(guò)檢查后發(fā)現(xiàn)該模型網(wǎng)格數(shù)雖然比較多，但是并未出現(xiàn)負(fù)數(shù)。劃分網(wǎng)格后的模型設(shè)置如圖2所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

圖2 模型設(shè)置

設(shè)置相及其相互作用，初級(jí)階段和第二階段為水，設(shè)計(jì)水的表面張力為73.5 dyn/cm，設(shè)置中心面的入液池為入口，入口速度為8 mm/s，計(jì)算時(shí)間為8 s，然后設(shè)置接觸角為7°。參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 參數(shù)設(shè)置

3 微流控芯片的步驟設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

首先，在Workbench 軟件中設(shè)計(jì)制作幾何模型，并定義網(wǎng)格和邊框樣式。接下來(lái)，利用Fluent軟件，從Workbench軟件導(dǎo)入網(wǎng)格模型，并檢查模型問(wèn)題[8]。選擇一個(gè)求解器和中介器，然后選擇一個(gè)計(jì)算模型。如果需要調(diào)整傳熱、黏度和均勻性的變化，請(qǐng)調(diào)整材料特性和邊界條件。微生物流經(jīng)的介質(zhì)是水，其中溫度恒定值（293 K），其速度p=998.2 kg/m3，勢(shì)速μ=1 004×10-3Pa·s。也就是說(shuō)，是邊界條件，儲(chǔ)液池是壓力出口處。引入正確的范例來(lái)控制決策，啟動(dòng)操場(chǎng)，開始審查決策，審查決策結(jié)果并確保解決方案結(jié)果滿足要求。再次更改網(wǎng)格模型，然后重復(fù)上述步驟以重新計(jì)算。發(fā)現(xiàn)正六面體比較符合，如果結(jié)果符合要求，將保存計(jì)算結(jié)果。

圖4所示為液體流過(guò)球閥時(shí)的各種狀態(tài)（球閥為1/8微通道中的圓球部分）。從圖中可以觀察到，液體進(jìn)入球閥是先由管道兩側(cè)再到球閥內(nèi)的圓壁。因?yàn)榇嬖谟H水性的一些作用，液體會(huì)優(yōu)先沿著微通道的壁面進(jìn)行流動(dòng)。

圖4 液體在球閥中的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象

圖5所示為液體進(jìn)入T型微通道。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，液體全部流過(guò)微通道，此通道為T型微通道（T型通道為微流控芯片微通道的轉(zhuǎn)角部分）。液體從下端微通道流入T 型微通道時(shí)，如果流速過(guò)快，會(huì)使得液體直接撞向T 型微通道的壁面，所以要控制液體的流速，使得液體既能流入微通道，又不至于撞向微通道的壁面。

圖5 液體進(jìn)入T型微通道

微流控芯片微通道的1/8模擬圖如圖6所示；微流控芯片整體結(jié)果仿真圖如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在8 s時(shí)液體基本都已經(jīng)流入儲(chǔ)液池，而且液體是沿著微通道壁面流動(dòng)的，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果大概吻合。說(shuō)明制作的親水性微通道能夠改善液體的流速。

圖6 微流控芯片微通道的1/8模擬圖

仿真圖和實(shí)驗(yàn)相比基本符合實(shí)驗(yàn)所達(dá)到的結(jié)果，使得芯片達(dá)到親水性，通過(guò)從中心入液池注入液體，經(jīng)過(guò)8 s，液體會(huì)迅速流向各個(gè)反應(yīng)池中與反應(yīng)池中的液體發(fā)生反應(yīng)。

圖7 微流控芯片整體結(jié)果仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了微通道的數(shù)值模擬。利用注射器測(cè)試并提供驅(qū)動(dòng)力，然后使用控制儲(chǔ)液池、球閥和微通道形成先導(dǎo)系統(tǒng)。仔細(xì)進(jìn)行觀察，其具有微通道部分中流速的不同。在管中通過(guò)數(shù)學(xué)和邊界條件進(jìn)行建模，通過(guò)模擬運(yùn)行可以得到結(jié)果。最后，將處理、分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)論。